Под расплавленным внешним ядром Земли находится плотная центральная область — внутреннее ядро, компактная сфера из сплава железа и лёгких элементов, сжатая давлением в более чем 3,3 миллиона атмосфер и нагретая до температур, сравнимых с температурой поверхности Солнца. На протяжении многих лет исследователи пытались объяснить его необычное поведение. Несмотря на то, что внутреннее ядро твёрдое, оно ведёт себя как размягчённый металл, замедляя сейсмические сдвиговые волны и демонстрируя коэффициент Пуассона, больше похожий на коэффициент для масла, чем для стали. Этот парадокс породил фундаментальный вопрос: как может твёрдый центр планеты казаться прочным и в то же время удивительно податливым?
Китайские ученые доказали, что внутреннее ядро Земли находится в суперионном состоянии — проявляет свойства твердого тела и жидкости одновременно. Так получается из-за того, что железо в ядре твердое, но не очень плотное. Из-за этого между его атомами могут существовать более легкие элементы, такие как водород, углерод и кислород. Они и ведут себя как жидкости, обнаружили исследователи. Работа опубликована в журнале Nature.
В суперионном состоянии атомы тяжелых элементов (например, железа) образуют твердую кристаллическую решетку, а более легкие ионы (например, водорода, углерода, кислорода) свободно движутся внутри этой решетки, подобно жидкости, что придает веществу гибридные свойства твердого тела и жидкости.
Ядро Земли — центральная и наиболее глубокая часть нашей планеты. Она располагается под мантией и обладает чрезвычайно высоким давлением и температурой. Ядро состоит из твердой внутренней части радиусом около 1300 км и жидкой внешней с толщиной около 2200 км.
Чтобы доказать наличие суперионного состояния в земном ядре, китайские ученые использовали вычислительное моделирование. Оно показало, что некоторые сплавы железа с более легкими элементами могут переходить в суперионное состояние в условиях, характерных для внутреннего ядра. Это сплавы железо — кислород, железо — углерод и железо — водород.
В суперионных сплавах железа легкие элементы (водород, углерод и кислород) вели себя хаотично и неупорядоченно, подобно жидкости. В то же время атомы железа оставались упорядоченными и образовывали твердый каркас. Коэффициенты диффузии углерода, водорода и кислорода в суперионных сплавах железа оставались такими же, как и в жидком железе.
«Затвердевание железа на границе внутреннего ядра не изменяет подвижность этих легких элементов, а конвекция легких элементов во внутреннем ядре остается непрерывной», — комментирует Хэ Юй, автор исследования из Китайской академии наук.
Внутреннее ядро довольно мягкое и обладает низкой скоростью сдвиговой волны, что давно озадачивало ученых. Но обнаружение суперионного состояния ядра позволяет разгадать эту загадку. Ученые рассчитали сейсмические скорости в суперионных сплавах железа и обнаружили, что скорость сдвиговой волны действительно значительно снижалась. Результаты эксперимента согласуются с сейсмологическими наблюдениями. Это подтверждает наличие легких элементов во внутреннем ядре и его суперионное состояние, которое замедляет сдвиговые волны.
Ученые надеются, что понимание суперионного состояния внутреннего ядра поможет объяснить многие явления — от затухания сейсмических волн до структурных изменений внутреннего ядра за последние десятилетия.
Юйцянь Хуан, Ю Хэ, Юйцзюнь Чжан, Цзюнь Ли, Лун Хао, Бо Гань, Ган Цзян, Цян У, Хо-кванг Мао. Экспериментальное подтверждение существования суперионного сплава Fe–C, выявленное с помощью исследования размягчения при сдвиге во внутреннем ядре Земли. National Science Review, 2025; 12 (11) DOI: 10.1093/nsr/nwaf419